Керамика из диоксида циркония, стабилизированного добавками различной природы Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

С lb б X № в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. Na 6 (111)

УДК 666.3-16:666.3.015.4

B.C. Аниканов, И.А. Белова, Н.А. Макаров

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия

КЕРАМИКА ИЗ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ, СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ДОБАВКАМИ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ

Properties of powders at various technological stages are analyzed. Influence of a profile of burning on efficiency of sintering and mechanical strength for zirconia ceramics with sol of yttrium hydroxide is established. The material on base of zirconium dioxide which stabilized by sol of yttrium hydroxide is synthesized. This material consists of a tetragonal and cubic phase in the ratio 9 to 1. The middle size of crystal is 1 - 1,5 |im. Open porosity is 0 %. The porosity between crystals is about 2 %. Flexural strength for this material is 700 MPa.

Проанализированы свойства порошков на различных технологических стадиях. Установлено влияние режима обжига на свойства циркониевой керамики, стабилизированной гидрозолем гидроксида иттрия. Синтезирован материал на основе диоксида циркония, по фазовому составу представленный тетрагональным и кубическим твердыми растворами в соотношении 9 : 1 со средним размером кристаллов 1-1,5 мкм, нулевой открытой пористостью, закрытой межкристаллической пористостью ~ 2 %, имеющий средний предел прочности при трехточечном изгибе 700 МПа.

Для современной техники необходимо создание новых материалов, обладающих совершенной структурой и высоким уровнем свойств. Одним из широко используемых оксидных материалов является диоксид циркония.

Цель данной работы - синтезировать высокопрочную керамику на основе диоксида циркония, стабилизированного гидрозолем гидроксида иттрия и хлоридом иттрия.

Табл. 1. Режимы обжига образцов

Температурно-временные параметры

Режим Температура, °С Скорость нагревания, град/мин Выдержка при данной температуре, ч

№1 1600 2 3

№2 1600 5 3

№3 1600 10 3

№4 1100 5 0

1600 2 3

750 5 0

№5 1200 2 2

1600 2 3

Порошок 2г0г синтезировали методом гетерофазного осаждения. Осажденный порошок характеризуется удельной поверхностью по БЭТ, равной 21,6 м2/г; измельченный - 36,5 м2/г. После синтеза удельная поверхность уменьшается до 27,4 м2/г. Измельченный порошок твердого раствора имеет удельную поверхность 32,1 м2/г. Средний расчетный размер частиц порошка твердого раствора составляет порядка 85 нм для осажденного, 50

С fl 6 X и в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. №6(111)

нм - измельченного, 37 нм - синтезированного и 30 нм - повторно измельченного порошка.

Табл. 2. Свойства керамики, обожженной по различным темиературно-временным режимам

Линейная усадка, % Открытая пористость, % Средняя плотность, г/см3 Средний предел прочности при изгибе, МПа

Режим №1

23,8 3,7 4,98 350

Режим №2

25,3 0,9 5,24 660

Режим №3

20,6 0,3 5,17 660

Режим №4

25,0 0,8 5,44 610

Режим №5

22,3 1,5 5,35 530

Из полученных порошков методом полусухого прессования формовали образцы при давлении 100 МПа. Режимы обжига представлены в табл. 1, свойства образцов, стабилизированных гидрозолем - в табл. 2.

1,00 П-

л

н

i 0,95

о

Ч

в

сс

се

X

Л

Ч

н

| 0,90 х н О

0,85

450 500 550 600 650 700 750

Температура синтеза, °С

Рис. 1. Влияние температуры синтеза твердого раствора Zr02 - Y203 на относительную плотность обожженных образцов

Керамика, обожженная по режиму № 1, обладают минимальной средней плотностью, прочностью при изгибе и максимальной пористостью. С увеличе-

е X и в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. №6(111)

нием скорости нагревания наблюдается рост прочностных свойств и уменьшение открытой пористости. Наибольшей плотностью характеризуются образцы, обожженные по режиму № 4. Величина средней плотности и прочности на изгиб керамики, обожженной по режиму № 5, не превышает соответствующие показатели образцов, обожженных по режиму № 4. Таким образом, режимом, обеспечивающим лучший уровень свойств, является режим № 2.

Рис. 2. Влияние температуры синтеза твердого раствора Zr02 - У2Оз на прочность при изгибе обожженных образцов

С целью возможного повышения относительной плотности материала исследовали влияние температуры синтеза твердого раствора Zv02 - У2<Эз на свойства обожженных образцов (рис. 1, 2).

На кривых зависимостей относительной плотности полуфабриката и керамики от температуры синтеза наблюдается максимум, приходящийся на температуру 650 °С. При этой же температуре получены образцы с максимальным средним пределом прочности при изгибе, равном 700 МПа. Керамика, обожженная по режиму №2 и полученная из диоксида циркония, стабилизированного хлоридом иттрия, характеризуется пределом прочности пи изгибе, равном 765 МПа. Следовательно, материал, синтезированный с использованием гидрозоля УООН, по свойствам незначительно уступает керамике, стабилизированной хлоридом иттрия.

Таким образом, синтезирован материал на основе диоксида циркония, стабилизированного гидрозолем гидроксида иттрия, с нулевой открытой пористостью, закрытой межкристаллической пористостью - 2 %, имеющий предел прочности при трехточечном изгибе - 700 МПа, представленный по фазовому составу тетрагональным и кубическим твердыми растворами в соотношении 9:1с размером кристаллов 1-1,5 мкм.